Сцинтилляторы

Сцинтилля́торы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.).

Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике, значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.

Виды сцинтилляторов

• Неорганические сцинтилляторы;
• Органические сцинтилляторы;
• Газовые сцинтилляторы;
• Жидкие сцинтилляторы.

Характеристики сцинтилляторов

Световыход

Световыход — количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ). Большим световыходом считается величина 50-70 тыс. фотонов на МэВ. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания

Спектр высвечивания должен быть оптимально согласован со светочувствительностью используемого фотоприёмника, чтобы не терять лишний свет. Несогласованный с чувствительностью приёмника спектр высвечивания негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано 1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления, 2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора, 3) с разбросом высвечиваемого числа фотонов. В результате в набранном спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её можно представить в виде гауссианы с дисперсией $\sigma$. В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используется полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum), отнесённая к медиане линии и выраженная в процентах. FWHM в 2,355 раза больше дисперсии гауссианы. Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E^−1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661 кэВ).

Время высвечивания

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе энергия конвертируется в свет, называется временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или сумма нескольких экспонент: $\displaystyle I \sim \sum_i A_i \exp(-t/\tau_i)$. Время $\displaystyle \tau_i$ компоненты с наибольшей амплитудой $\displaystyle A_i$ характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Некоторые сцинтилляторы при быстром высвечивании могут иметь медленно спадающий «хвост» послесвечения, что является недостатком. Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов — от десятков наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор, или альфа-бета отношение

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжёлые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген.

Неорганические сцинтилляторы

• Неорганические сцинтилляторы — монокристаллы;
• Неорганические прозрачные керамические сцинтилляторы.

Неорганические сцинтилляторы — монокристаллы

Кристалл NaI(Tl) размером 40×40 мм в алюминиевом кожухе со стеклянным окном.

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными.

Сцинтилляторы

	Время высвечивания, мкс	Максимум спектра высвечивания, ангстрем	Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену)	Примечание
NaI(Tl)	0,25	4100	2,0	гигроскопичен
CsI(Tl)	0,5	5600	0,6	фосфоресценция
LiI(Sn)	1,2	4500	0,2	очень гигроскопичен
LiI(Eu)				очень гигроскопичен
ZnS(Ag)	1,0	4500	2,0	порошок
CdS(Ag)	1,0	7600	2,0	небольшие монокристаллы

Керамические прозрачные сцинтилляторы

Прозрачная керамика в волноводах

Рис.1,График пропускания электромагнитной волны света твердотельным прозрачным керамическим материалом

Рис.2,График генерации частоты электромагнитной волны прозрачным твердотельным керамическим материалом

‎Применение прозрачной керамики с эффектом повышающего преобразования частоты света было доказано физиками ещё 40 лет тому назад. Однако, только в последние годы стало реальным внедрение таких оптических керамических материалов на базе нанопорошковай технологии получения прозрачных керамических стекломатериалов, необходимых для генераторов лазерных преобразователей электромагнитных лучей. Спектр пропускания изображен на рис. 1. Прозрачность в видимой области спектра не полная, однако достаточна для практических применений. Для лучей света с длиной волны 980нм наблюдается сильное поглощение, в то же время при освещении материала светом с такой длиной волны (980нм), детектор генерирует эмиссионный поток лучей света с длиной волны 662нм, т.е. с увеличением частоты колебаний или усилением поглощённого светового потока — сигнала (рис. 2).

Способ получения

Получение твердотельных оптических керамических преобразователей лучей света (сцинтилляторов):

• Приготавливается шихта из окидов Lu₂0₃ и Y₂0₃, взятых в стехиометрической пропорции.
• После чего смесь перетирали и прессовали под давлением 35МПа с температурой обжига в 1200°С.
• Полученные таблетки из указанной смеси подвегали мощному лазерному импульсному облучению (СО₂-лазера) с мощностью в 665Вт. В результате лазерного испарения таблеток получали нанопорошки оксидов LuY0₃ размером 2—28 нм.

(См., например, Лазерный рентгеновский микроскоп).

Органические сцинтилляторы

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух-трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего его изотропно с большими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. При такой технологии можно производить жидкий или пластиковый сцинтиллятор любой геометрической формы. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц — десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший световыход:

	$\lambda_\max$ эмиссии [нм]	Время высвечивания [нс]	Световыход (относительно NaI)
нафталин	348	96	0,12
антрацен	440	30	0,5
p-терфенил	440	5	0,25

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании BICRON. Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе поливинилтолуола и обладают достаточно хорошими характеристиками, они используются в современных детекторах элементарных частиц.

Газовые сцинтилляторы

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу их низких плотностей сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.

См. также

• Прозрачные керамические материалы
• Волновод
• Лазерный рентгеновский микроскоп